一种高性能电子镇流器系统及其专用集成控制器的实现

 

　　1引言

　　电子镇流器（Electricalballast），是镇流器的一种，是指采用电子技术驱动电光源，使之产生所需照明的电子设备。与之对应的是电感式镇流器（或镇流器）。现代日光灯越来越多的使用电子镇流器，轻便小巧，甚至可以将电子镇流器与灯管等集成在一起，同时，电子镇流器通常可以兼具起辉器功能，故此又可省去单独的起辉器。电子镇流器还可以具有更多功能，比如可以通过提高电流频率或者电流波形（如变成方波）改善或消除日光灯的闪烁现象；也可通过电源逆变过程使得日光灯可以使用直流电源。

　　目前，世界上一些着名的大专院校、科研院所、公司都投入了较大的力量进行高频交流电子镇流器的科研开发、生产。如美国弗吉尼亚大学功率电子研究中心（VPEC）李泽元教授领导的科研中心每年都有相关论文和实验在IEEE功率电子学学刊刊出，并提出了如高频能量反馈、采用电荷泵功率因数校正的电子镇流器等概念，美国加州理工大学（UCT）的S.CUK教授关于单级高功率因数电子镇流器，一种用于紧凑型荧光灯的E类电子镇流器，西班牙、巴西、我国台湾和香港地区的一些着名高等院校、科研院所、公司都投入了一些高水平的科研人员、实验室进行科研开发。同时，国内一些着名科研院所、大学等都投入了较大力量进行科研开发。这一点可从国内相关科技文献看出。但是勿容置疑的是我国是世界上电子镇流器的一个生产大国，有较多的公司、企业从事这种"绿色电光源"产品的生产。特别是自20世纪80年代末、90年代初，IEC928（1990）、GB15143（1994）《管形荧光灯用交流电子镇流器一般要求和安全要求》及IEC92（1990）、GB/T15144《管形荧光灯用交流电子镇流器的性能要求》等技术标准相继颁布与实施，使交流电子镇流器的研究、开发、生产有了统一技术规范。由于高频交流电子镇流器要求体积小、造价低，并且对电磁辐射干扰、输入功率因数、波峰因数、可靠性等技术指标要求严格，所以要做出一个满足高性能、低价格、体积小、低电磁辐射干扰、使用安全可靠等要求的高频交流电子镇流器并非易事，所以往往让人感到，看似简单的一个电子产品，但是技术含量很高，是一个涉及电路拓扑、高频电子变换、谐振开关（ZVS、ZCS）、LC串、并联谐振、功率因数校正（PFC）、电磁干扰抑制（EMC、EMI）、信号传感、采集和控制、电子元器件、电光源器件等电力电子技术方方面面的电子产品。同时，如何测量高频交流电子镇流器的技术参数，如功率、高频谐波成分、效率、电磁辐射干扰（EMI），也是高频交流电子镇流器的研究热点。

　　表1低、中、电子镇流器简要比较

　　我们认为，高性能电子镇流器应该是既具有功率因子校正，同时兼备灯管灯丝预热、灯光调节和灯电路保护等功能，且完全符合IEC555-2及类似标准的产品，为此，本文就高性能电子镇流器必须具备的电路结构和功率因子校正电路的基本原理作简要讨论，着重介绍美国微线性公司的电子镇流器专用集成

　　控制器ML4831,ML4832,ML4833及由其构成的高性能电子镇流器电路。

　　2高性能电子镇流器的电路结构

　　电路结构如图1所示。图中RFI和EMI滤波器将来自电网的传导射频干扰和电磁干扰滤除，同时阻碍镇流器电路产生的传导射频及电磁干扰进入电网。桥式整流电路将输入交流变换成直流。功率因子校正电路则起改善输入交流电流波形的作用，确保输入电流正弦化并与输入电压同相位，实现功率因子接近或等于1.逆变电路完成直流高压向高频交流的变换，通过灯电路网络将输入功率终传输给荧光灯管。灯网络除了传递电功率之外，还将实施荧光灯灯丝的预热、灯管工作状态信号的取样和反馈。灯工作状态的反馈信号取自功率因子校正电路和调光信号，经控制电路处理得到正确的逆变电路中开关器件的驱动脉冲。

图1高性能电子镇流器的电路结构

　　2.1功率因子校正电路

　　系统的功率因子（PowerFactor,PF），定义为

　　PF=γcosφ1（1）

　　式中γ=I1/IRMS,是输入电流的基波有效值与输入总电流有效值之比，称电流的失真因子（DistortionFactor,DF），φ1为基波电流与电压的相移角。

　　如果系统的输入电压与电流无相移（即系统为纯电阻性），且无任何谐波分量（即DF=1），该系统的PF必然等于1.遗憾的是，目前绝大多数电子设备与工频电网相接的输入整流滤波单元都采用不控二极管和大容量电解电容器组成，网侧电流的瞬时值相当高（一般约为IRMS的2倍~3倍），持续时间非常短（通常不超过4ms），呈严重非正弦化特征，故系统的PF远低于1.功率因子校正就是针对传统不控整流电路的弊病，采取相应的电路措施，在提高系统DF值的同时，尽量减小输入基波电流和电压的相移，终实现PF值等于1的目标。图2所示为电子镇流器中常用的升压型有源功率因子校正电路。控制电路以输入电压信号作基准，输入电流和输出电压信号的乘积作调制源，得到正弦脉宽调制（SPWM）信号给升压型DC/DC功率变换电路，以调节功率开关的通、断时间比，获得稳定的直流高压。升压型功率变换电路中的功率开关器件，由于在控制电路输出的SPWM信号驱动下高速通、断，故可确保流经与整流桥相串联的电感中的电流波形为正弦波，且与输入电压同相，从而得到系统输入电流的失真因子γ=1和φ1=0,即cosφ1=1,实现系统功率因子为1.

图2电子镇流器中的PFC电路

　　2.2逆变电路

　　逆变电路是与整流电路（Rectifier）相对应，将低电压变为高电压，把直流电变成交流电的电路称为逆变电路。逆变电路是通用变频器部件之一，起着非常重要的作用。它的基本作用是在控制电路的控制下将中间直流电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。将直流电能变换为交流电能的变换电路。可用于构成各种交流电源，在工业中得到广泛应用。生产中常见的交流电源是由发电厂供电的公共电网（中国采用线电压方均根值为380V,频率为50Hz供电制）。由公共电网向交流负载供电是普通的供电方式。但随着生产的发展，相当多的用电设备对电源质量和参数有特殊要求，以至难于由公共电网直接供电。为了满足这些要求，历史上曾经有过电动机-发电机组和离子器件逆变电路。但由于它们的技术经济指标均不如用电力电子器件（如晶闸管等）组成的逆变电路，因而已经或正在被后者所取代。

　　逆变电路主要的功能是将经功率因子校正电路输出的高压直流变换为供荧光灯使用的高频交流。图3所示为电子镇流器中常用的电流馈送推挽零电压开关（ZeroVoltageSwitching,ZVS）谐振逆变电路及其相关波形。图中功率MOSFET推挽管（V1和V2）在占空比为50%的驱动脉冲驱动下交替地通、断，并在功率变压器初级电感和电容构成的并联谐振回路中电流过零时换向，实现零电压开关（ZVS），对高压直流实行斩波。零电压开关能消除与MOSFET管的输出电容和寄生电容充电相关的开关损耗，而且栅极驱动电荷，有利于减少栅极的损耗。图3右侧所示为功率变压器初级所呈现的电压和流过的电流波形。由于功率变压器次级耦合得到的高频交流是直接馈送至灯路网络的，故灯电流（即功率变压器次级电流）与逆变电路的输出电流（即功率变压器初级电流）不存在相移。考虑到灯网络的总阻抗在高频时会减小，以及荧光灯自身的负阻特性，可以发现随着灯电流的减小（相当于灯的光强减弱），逆变电路的输出电流将会增加。

图3电流馈送推挽ZVS谐振逆变电路及相关波形

　

　　2.3灯电路网络

　　灯电路网络除须将逆变电路输出的高频交流功率输送给灯管，完成电-光的高效转换外，还包括诸如灯丝预热、灯电流检测反馈以及整个电子镇流器系统的辅助供电源等功能。图4为实用双灯管灯电路网络的实例。图中功率变压器T初级接逆变电路，通过电容直接向灯管输送灯正常发光所需的灯电流，次级绕组则向灯管提供预热和维持工作的灯丝电流。电流互感器TA执行对灯电流的检测和传感，通过灯电流的变化随时将有关灯工作情况的信号送往控制电路。控制电路可根据灯电流的大小（甚至包括灯管脱连和断路），判断灯的发光强弱，然后向逆变电路发送相应的控制信号。

图4灯电路网络示例

　　2.4控制电路

　　高性能电子镇流器专用的控制电路应该具有包括功率因子校正、灯光调节、开灯预热、灯管断路警报、灯再起动程序调控等一系列功能。目前，国内外器件市场上出现的一些供电子镇流器用的集成电路控制器，基本上多是以PFC控制为主，适当添加灯路控制功能，或通过外部电路实施灯路控制的产品。相关产品列于表2,以供参考。值得强调的是，表2所列产品中，真正称得上高性能电子镇流器专用的集成控制器只有美国微线性公司的ML4830/31/32/33系列产品。

　　3ML4830系列高性能电子镇流器专用集成控制器

　　表2电子镇流器用集成电路控制器产品简表

 

制造厂家	型号	工作模式	备注
MicroLinear	ML4830ML4831ML4832ML4833	平均电流型，升压式峰值电流型，升压式平均电流型，升压式峰值电流型，升压式	可调预热，灯电流可控
Motorola	MC34261MC34262	峰值电流型，升压式峰值电流型，升压式
Unitrode	UC3871	ZVS推挽驱动，降压式	灯开路检测
Siemens	TDA4816TDA4817	连续电流，升压式不连续电流，升压式	有起动、停止电路单环控制
SiliconGeneral	SG3561	电压型，升压式
韩国三星	KA7514KA7524	峰值电流，升压式

 

　　ML4830/31/32/33是美国微线性公司专为高性能电子镇流器开发的集成电路控制器。代产品ML4930已淘汰；第二代产品ML4831系采用双极型集成电路工艺制造；第三代产品ML4832采用Bicmos工艺替代原先的双极型工艺，电路偏置电流大大减小，自耗显着降低；第四代产品ML4833不仅采用Bicmos工艺，内部结构亦有重大改进，故功能增强，性能更好。这些器件尽管都可采用图5功能框图，实际上ML4831和ML4832的内部结构及ML4833的内部结构分别如图6及图7所示。

图5ML4831/32/33功能框图

图6ML4831/32内部结构框图

图7ML4833内部结构框图